Потери в выходных устройствах и способы их оценки

Потери в выходных устройствах можно в общем случае разделить на три вида:

1) внутренние потери;

2) потери, связанные с нерасчетностью расширения газа в сопле;

3) внешнее сопротивление.

Внутренние потери вызваны вязкостью газа, а также возникновением скачков уплотнения в сверхзвуковой части сопла. Вязкость обуславливает потери на трение. В эжекторных соплах вязкость приводит также к потерям в слое смешения и в вихревой зоне. Кроме того, неравномерность потока в выходном сечении сопла и его местные отклонения от осевого направления также приводят к потерям тяги.

Внутренние потери оцениваются коэффициентом скорости сопла

j_с = ,

где _с - осредненная (по расходу) величина осевой составляющей действительной скорости на выходе из сопла; _с.ад - скорость на выходе из сопла при отсутствии потерь, равная

_с.ад .

Нерегулируемые сужающиеся сопла с профилированными стенками внутреннего канала имеют j_с =0,99…0,995. У регулируемых сверхзвуковых сопел в среднем j_с=0,975…0,985.

С учетом наличия внутренних потерь и пограничного слоя для определения площади критического сечения сопла F_кр при известном расходе газа G_г формула расхода газа через критическое сечение сопла должна использоваться в виде:

_г= _{г кр}q(l_кр),

где s_кр= / , а m - коэффициент расхода, учитывающий неравномерность параметров газового потока в критическом сечении сопла. У профилированных сопел Лаваля коэффициенты s_кр и m близки к единицы.

Рис.11.5. К объяснению влияния нерасчетности режимов на тягу сопла

Потери, связанные с нерасчетностью режима работы сопла, Нерасчетный режим работы сопла, т.е. режим, когда , возможен только при . Для объяснения этого влияния такой нерасчетности на тягу двигателя. рассмотрим, как будет изменяться тяга двигателя при неизменном режиме его работы (при р₀= const и р_Н= const), если на этот двигатель устанавливать нерегулируемые сопла Лаваля, имеющие одинаковую площадь F_кр и различные площади F_с. Будем в целях наглядности принимать, что F_с изменяется не за счет регулируемых створок, а за счет добавления к исходному соплу некоторого участка l₁ или отбрасывания участка l₂. На рис. 11.5 приведено распределение давлений вдоль образующей полученных таким образом сопел при различных , соответствующих полному расширению (а), перерасширению (б) и недорасширению (в). Как видно, наибольшая равнодействующая от сил давления имеет место в случае (а), когда р_с=р_Н и осуществляется полное расширение газа в сопле. При увеличении давление р_с на срезе сопла снижается и становится меньше р_Н. Это вызывает появление силы DР₁, направленной против полета, и тяга двигателя с соплом (б) становится меньше, чем с соплом (а). В случае (в), когда сопло выполнено более коротким, тяга тоже снижается, так как вместе с отброшенным участком l₂ теряется и некоторая часть тяги DР₂.

Следовательно, максимум тяги сопла (без учета внешнего обтекания) соответствует условию p_с=p_с.расп. Практически выгоднее выбирать для каждого режима работы двигателя величину из условия небольшого недорасширения, поскольку это позволяет при незначительной потери тяги (менее 0,5%) заметно уменьшить габаритные размеры сопла, его массу и площадь охлаждаемой поверхности.

Для суммарной оценки внутренних потерь и потерь от нерасчетности расширения газа в сопле используют коэффициент тяги сопла, равный отношению действительной тяги сопла к идеальной:

, (11.7)

где - идеальная тяга сопла, соответствующая полному расширению газа и отсутствию потерь (j_с=1). Очевидно, что

= _г = _г , (11.8)

Здесь l_с.ид определяется через функцию П(l) из условия П(l_с.ид) =1/p_с.расп, а величина а_кр – по формуле

_кр .

Внешнее сопротивлениевыходного устройства. Для сравнительной оценки внешнего сопротивления выходных устройств пользуются понятием «кормовое сопротивление»Х_кор. Оно включает в себя сопротивление давления Х_р.кор и сопротивление трения Х_тр.кор кормовой части фюзеляжа или мотогондолы, сопряженных с обечайкой и створками сопла, т.е.

Х_кор=Х_р.кор + Х_тр.кор.

На величину Х_кор влияет ряд факторов: число M полета, форма кормы, тип сопла и режим его работы, толщина пограничного слоя на поверхности кормы и др.

Рис.11.6. Распределение статических давлений на поверхности кормы при дозвуковом (а) и сверхзвуковом (б) обтекании

Основной причиной возникновения внешнего сопротивления кормы является неблагоприятное распределение статического давления на ее внешней поверхности, форма которой, как правило, отлична от цилиндрической. Картина распределения статического давления, типичная для обтекания дозвуковым потоком кормы конической и плавной (так назваемой оживальной) формы в присутствии истекающей из сопла недорасширенной струи газа, показана на рис. 11.6, а. Как видно, на начальном участке кормы поток разгоняется, и статическое давление снижается, а в конце кормы статическое давление увеличивается (вследствие торможения потока при его обратном повороте к оси сопла). У кормы конической формы с изломом поверхности (штриховой контур на рис.11.6, а) величина наибольшего относительного разрежения и сопротивление давления получаются более высокими, чем у кормы оживальной формы. Повышение давления в конце кормы до р_max>р_Н объясняется наличием выпуклой реактивной струи на выходе из сопла, об которую тормозится поток воздуха, обтекающий корму. Этим частично компенсируется сопротивление, возникающее на тех участках кормы, где давление ниже атмосферного.

При M_н>1 (см. рис. 11.6, б) на выпуклой поверхности кормы и в месте ее излома реализуется течение разрежения с последующим торможением потока в скачке уплотнения, образующемся в конце кормы или за ее пределами. При этом возникает разрежение на значительной части внешней поверхности кормы, что также служит причиной возникновения внешнего сопротивления. Расширяющаяся форма реактивной струи при недорасширении газа в сопле способствует снижению внешнего сопротивления, так как вызывает перемещение кормового скачка ближе к началу кормы и приводит к повышению давления на участке кормы, расположенным за скачком. Благодаря взаимному влиянию реактивной струи и внешнего потока, потери от недорасширения частично могут быть скомпенсированы снижением внешних потерь.

Рис.11.7. Распределение коэффициента давления по внешней поверхности сопла при Мн=0,8 и pс.расп=3,5

Важным требованием к внешней аэродинамике сопел является их безотрывное обтекание.На рис. 11.7 показано распределение коэффициента давления по внешней поверхности сопла при М_н=0,8 и p_с.р=3,5 для случая, когда нет отрыва, и для случая, когда из за менее удачно формы кормы возникает отрыв потока. При отрыве на начальном участке сопла давление резко снижается, а на конечном участке восстанавливается в недостаточной степени, что приводит к значительному возрастанию внешнего сопротивления.

Другим источником внешних потерь является сопротивление трения, хотя его доля по отношению к сопротивлению давления относительно невелика.

Суммарная тяговая эффективность выходного устройства в условиях внешнего обтекания оценивается коэффициентом эффективной тяги сопла, равным отношению эффективной тяги сопла к идеальной:

или величиной

, (11.9)

называемой относительной потерей эффективной тяги сопла.